CN112022296B - 一种静脉穿刺装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静脉穿刺装置及方法，装置包括控制器、穿刺机械臂和连接第一滑轨的光声成像设备，所述穿刺机械臂和光声成像设备连接控制器，所述光声成像设备包括短脉冲激光发生器和超声换能器阵列，所述短脉冲激光发生器发射短脉冲激光至待穿刺区域，所述超声换能器阵列接收反射的光声信号，控制器生成切片图像。与现有技术相比，提高了穿刺引导成像深度，提高了穿刺引导成像分辨性，提升了穿刺进针控制的精准度，对待穿刺组织无损。

Description

一种静脉穿刺装置及方法

技术领域

本发明涉及静脉穿刺领域，尤其是涉及一种静脉穿刺装置及方法。

背景技术

静脉穿刺在临床中极为普便，其操作对于医护人员提出了比较细致的要求。在辅助穿刺与全自动穿刺中，近红外静脉成像与超声静脉成像的应用比较普遍，但近红外等纯光学成像的穿透性不足，声学成像不具有高分辨性。

目前，现有的自动或辅助静脉穿刺设备无法精确进行穿刺，导致穿刺过程中存在较大风险，安全性得不到保证。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种静脉穿刺装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种静脉穿刺装置，包括控制器、穿刺机械臂和连接第一滑轨的光声成像设备，所述穿刺机械臂和光声成像设备连接控制器，所述光声成像设备包括短脉冲激光发生器和超声换能器阵列，所述短脉冲激光发生器发射短脉冲激光至待穿刺区域，所述超声换能器阵列接收反射的光声信号，控制器生成切片图像。

所述的光声成像设备包括沿第一滑轨方向排列的垂直于待穿刺区域的多个设有开口的圆环，所述开口朝向待穿刺区域，所述短脉冲激光发生器位于圆环的顶部，所述超声换能器阵列均匀分布于圆环上短脉冲激光发生器的两侧，所述圆环关于短脉冲激光发生器的中线对称。

单侧所述超声换能器阵列占据90°圆心角对应的弧线。

多个所述圆环等间隔排列。

单侧所述超声换能器阵列包括至少7个超声波换能器。

所述的穿刺机械臂连接第二滑轨。

一种使用所述静脉穿刺装置的静脉穿刺方法，该方法包括以下步骤：

S1：控制器获取待穿刺区域，穿刺机械臂和光声成像设备移动至待穿刺区域；

S2：控制器控制短脉冲激光发生器发出短脉冲激光，控制器控制超声换能器阵列接收反射的光声信号，控制器接收超声换能器阵列的光声信号并生成切片图像；

S3：根据切片图像确定静脉与穿刺机械臂上穿刺针的相对位置，更新切片图像进行穿刺引导。

所述的穿刺引导包括确定穿刺针偏离补偿角，以及判断穿刺针是否进针到位。

所述穿刺针偏离补偿角Δθ表达为：

其中，L₀为末段机械臂旋转中心到针尖的距离，d为切片图像i上针尖断面影像距离血管几何中心的距离，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，Δθ的方向为当前穿刺方向指向静脉轴线。

所述判断穿刺针是否进针到位用下式表示：

其中，T_flag为是否进针到位的结果，

为最小进针长度，

为最大进针长度，lⁱⁿ为进针长度，lⁱⁿ表示为：

lⁱⁿ＝(i-1)·δ

其中，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，δ为切片图像的物理间距，δ表示为：

其中，l为待穿刺区域的长度，n为单次生成切片图像的数量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)静脉穿刺装置设有光声成像设备，采用光声成像，提高了穿刺引导成像深度；使静脉较深、精准穿刺困难的患者减轻穿刺痛苦，提高成功率和安全性。

(2)静脉穿刺装置设有光声成像设备，采用光声成像，提高了穿刺引导成像分辨性；在辅助穿刺过程中，提升了引导影像的辨识度，降低穿刺难度；在全自动穿刺引导过程中，则提升了静脉与针的辨识度，提升了穿刺进针控制的精准度。

(3)采用短脉冲激光，对待穿刺组织无损；可以非侵入的条件下，实现较好效果的在体成像。

附图说明

图1为本发明静脉穿刺装置的结构示意图；

图2为本发明A-A剖面图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明实施例流程图；

图5为本发明实施例待穿刺区域示意图；

图6为本发明实施例手臂坐标系示意图；

图7为本发明实施例静脉切片图像示意图；

图8为本发明实施例静脉与穿刺针相对位置示意总图；

图9为本发明实施例静脉与穿刺针相对位置截面示意图；

附图标记：

1为短脉冲激光发生器；2为超声换能器阵列；3为第二滑轨；4为穿刺机械臂；5为穿刺针；6为光声成像设备；7为第一滑轨。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

光声成像的原理：当短脉冲激光照射生物组织时，不同的生物组织会不同程度地吸收体吸收脉冲光能量，产生瞬时升温并膨胀，从而产生超声波。这时位于组织体表面的超声探测器可以接收到这些组织内向外传播的超声波，并根据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像，得到生物内部组织分布的二维或三维影像。

本实施提供一种光声成像静脉穿刺装置，如图1所示，包括控制器、穿刺机械臂4和连接第一滑轨7的光声成像设备6，穿刺机械臂4和光声成像设备6连接控制器，光声成像设备6包括短脉冲激光发生器1和超声换能器阵列2，短脉冲激光发生器1发射短脉冲激光至待穿刺区域，超声换能器阵列2接收反射的光声信号，控制器生成切片图像。

具体而言：

光声成像设备6包括沿第一滑轨7方向排列的垂直于待穿刺区域的多个设有开口的圆环，开口朝向待穿刺区域，短脉冲激光发生器1位于圆环的顶部，超声换能器阵列2均匀分布于圆环上短脉冲激光发生器1的两侧，圆环关于短脉冲激光发生器1的中线对称。

如图2所示，单侧所述超声换能器阵列2占据90°圆心角对应的弧线；多个圆环等间隔排列；单侧超声换能器阵列2包括至少7个超声波换能器；穿刺机械臂4连接第二滑轨3。

本实施还提供一种使用静脉穿刺装置的静脉穿刺方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1：控制器获取待穿刺区域，穿刺机械臂4和光声成像设备6移动至待穿刺区域；

S2：控制器控制短脉冲激光发生器1发出短脉冲激光，控制器控制超声换能器阵列2接收反射的光声信号，控制器接收超声换能器阵列2的光声信号并生成切片图像；

S3：根据切片图像确定静脉与穿刺机械臂4上穿刺针5的相对位置，更新切片图像进行穿刺引导，穿刺引导包括确定穿刺针偏离补偿角，以及判断穿刺针5是否进针到位。

穿刺针偏离补偿角Δθ表达为：

其中，L₀为末段机械臂旋转中心到针尖的距离，d为切片图像i上针尖断面影像距离血管几何中心的距离，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，Δθ的方向为当前穿刺方向指向静脉轴线。

判断穿刺针5是否进针到位用下式表示：

其中，T_flag为是否进针到位的结果，

为最小进针长度，

为最大进针长度，lⁱⁿ为进针长度，lⁱⁿ表示为：

lⁱⁿ＝(i-1)·δ

其中，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，δ为切片图像的物理间距，δ表示为：

其中，l为待穿刺区域的长度，n为单次生成切片图像的数量。

以上肢静脉穿刺引导为例，步骤如图4所示：

步骤1：待穿刺区域确定与待命。该步骤在手臂伸入成像区域之前，控制器接收指令，确定穿刺部位，该实施例中穿刺部位即为上肢的手背或手臂内侧，同时获取手臂上的待穿刺区域；光声成像设备6进入待命状态。

步骤1具体包括：

步骤101：待穿刺区域获取。上肢静脉穿刺主要在手背与手臂内侧，通常不同年龄段人群以及不同的场景使用的穿刺位置有特定要求。在确定穿刺部位后，控制器会进行最佳待穿刺区域搜索，确定最适合穿刺的静脉血管区间位置，如图5，这一待穿刺区域信息将用于后续光声成像以及穿刺引导步骤。

步骤102：光声成像设备6待命。光声成像的短脉冲激光发生器1连同超声换能器阵列2沿第一滑轨7移动至待穿刺区域，保持待命状态。

步骤2：获取待穿刺区域切片图像。该步骤在手臂伸入成像区域之后，控制器控制短脉冲激光发生器1发出短脉冲激光，控制器控制超声换能器阵列2接收反射的光声信号，控制器接收超声换能器阵列2的光声信号并生成切片图像。如图6，手臂坐标系X方向与第一滑轨7、第二滑轨3平行。如图7，待穿刺区域切片平面均垂直于手臂坐标系X方向，且在待穿刺区域内等间距分布，记单次获取的切片图像数目为n，待穿刺区域长度为l，则有：

其中δ为成像切片的物理间距。沿手臂坐标系X方向各切片图像记为P₁，P₂...P_k。

步骤3：更新切片图像进行穿刺引导。根据多个切片图像内光声影像的反馈判断静脉血管与穿刺针5的相对位置，并进行穿刺进针运动的纠偏，确保穿刺针5不会扎穿血管或扎进血管，保障穿刺正常完成。

步骤3具体包括：

步骤301：确定穿刺针偏离补偿角。穿刺针5进入过程中，针尖位置错误极易引起穿刺失败，故用穿刺针5的针尖的位置进行下一步进针的角度调整。如图8，记θ为穿刺针5相对于血管轴线的角度，由于

(

为血管直径)，故以P_i切片图像作为穿刺角度调整依据，其中i为当前有针尖的切片图像P中的最大下标。P_i的示意图如图7。穿刺针偏离补偿角由以下表达式给出：

其中，L₀为末段机械臂旋转中心到针尖的距离(见图1)，d为P_i上针断面影像距离血管几何中心的距离，Δθ的方向由P_i上的Q与O′确定，沿

方向，Q为穿刺针的像素点，O′为切片图像中静脉的轴心，如图9。

步骤302：判断穿刺针5是否进针到位。临床上有进针长度的建议值范围，记为

其中

Δ均来自临床经验。进针长度lⁱⁿ可以表示为：

lⁱⁿ＝(i-1)·δ

是否进针到位T_flag可以通过下式判断：

步骤303：更新静脉切片图像。采用同上一步更新相同的切片方式，更新各切片影像，影响信息作为下一步穿刺进针的参考。

步骤304：穿刺结束。穿刺针5达到指定位置，穿刺引导操作完成。

Claims (9)

1.一种静脉穿刺装置，其特征在于，包括控制器、穿刺机械臂(4)和连接第一滑轨(7)的光声成像设备(6)，所述穿刺机械臂(4)和光声成像设备(6)连接控制器，所述光声成像设备(6)包括短脉冲激光发生器(1)和超声换能器阵列(2)，所述短脉冲激光发生器(1)发射短脉冲激光至待穿刺区域，所述超声换能器阵列(2)接收反射的光声信号，控制器生成切片图像；

所述的光声成像设备(6)包括沿第一滑轨(7)方向排列的垂直于待穿刺区域的多个设有开口的圆环，所述开口朝向待穿刺区域，所述短脉冲激光发生器(1)位于圆环的顶部，所述超声换能器阵列(2)均匀分布于圆环上短脉冲激光发生器(1)的两侧，所述圆环关于短脉冲激光发生器(1)的中线对称。

2.根据权利要求1所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，单侧所述超声换能器阵列(2)占据90°圆心角对应的弧线。

3.根据权利要求1所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，多个所述圆环等间隔排列。

4.根据权利要求1所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，单侧所述超声换能器阵列(2)包括至少7个超声波换能器。

5.根据权利要求1所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，所述的穿刺机械臂(4)连接第二滑轨(3)。

6.根据权利要求1所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，静脉穿刺装置的控制方法包括以下步骤：

S1：控制器获取待穿刺区域，穿刺机械臂(4)和光声成像设备(6)移动至待穿刺区域；

S2：控制器控制短脉冲激光发生器(1)发出短脉冲激光，控制器控制超声换能器阵列(2)接收反射的光声信号，控制器接收超声换能器阵列(2)的光声信号并生成切片图像；

S3：根据切片图像确定静脉与穿刺机械臂(4)上穿刺针(5)的相对位置，更新切片图像进行穿刺引导。

7.根据权利要求6所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，控制方法中，所述的穿刺引导包括确定穿刺针偏离补偿角，以及判断穿刺针(5)是否进针到位。

8.根据权利要求7所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，所述穿刺针偏离补偿角Δθ表达为：

其中，L₀为末段机械臂旋转中心到针尖的距离，d为切片图像i上针尖断面影像距离血管几何中心的距离，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，Δθ的方向为当前穿刺方向指向静脉轴线。

9.根据权利要求7所述的一种静脉穿刺装置，其特征在于，所述判断穿刺针(5)是否进针到位用下式表示：

其中，T_flag为是否进针到位的结果，

为最小进针长度，

为最大进针长度，lⁱⁿ为进针长度，lⁱⁿ表示为：

lⁱⁿ＝(i-1)·δ

其中，i为当前有针尖的切片图像的最大标号，δ为切片图像的物理间距，δ表示为：

其中，l为待穿刺区域的长度，n为单次生成切片图像的数量。

Images